階梯波發(fā)生器的設(shè)計與實(shí)驗實(shí)驗報告

1、北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 北京郵電大學(xué)電子電路綜合設(shè)計實(shí)驗實(shí)驗報告課題名稱： 階梯波發(fā)生器的設(shè)計和調(diào)測 院 系： 信息與通信工程學(xué)院 班 級： 姓 名： 班內(nèi)序號： 學(xué)號： 摘要階梯波是一種特殊波形，在一些電子設(shè)備及儀表中用處極大。階梯波發(fā)生器是由一個方波-三角波發(fā)生器與遲滯電壓比較器組成的電路。通過對運(yùn)算放大器ua741，二極管以及電容等器件進(jìn)行組合，以及對各個部分輸出輸入波形的分析和關(guān)聯(lián)，設(shè)計出了階梯波發(fā)生電路。通過對該電路的適當(dāng)改接，還可以完成一個三極管輸出特性測試電路。實(shí)驗關(guān)鍵詞：階梯波 脈沖 方波-三角波發(fā)生器 遲滯電壓比較器第一章 緒論 1.1 階梯波的應(yīng)用背景階梯波在電子設(shè)

2、備中的應(yīng)用十分的廣泛。例如階梯波修復(fù)技術(shù)，它是通過測定電池狀態(tài)，在充、放電的同時不斷發(fā)出正負(fù)變頻階梯波與電池中的硫酸鉛結(jié)晶體發(fā)生共振，從而使硫酸鉛晶體還原成硫離子和鉛離子，調(diào)解二氧化鉛的比例至1:1.25，改變電介質(zhì)成份和性質(zhì)，每秒產(chǎn)生 40萬組復(fù)合階梯波提高修復(fù)效率(階梯波頻率)達(dá)3兆赫茲以上，打通離子通道，充分釋放并激活原活性物質(zhì)，使其具備更強(qiáng)的電化學(xué)能力，降低電池內(nèi)阻，徹底消除電池硫化。至使硫化物質(zhì)的分解還原率達(dá)95%以上，經(jīng)過再生復(fù)原的鉛酸蓄電池，其容量可恢復(fù)到原標(biāo)準(zhǔn)容量的95以上。 1.2 資料中常見的方案查閱資料得到階梯波發(fā)生電路的常用設(shè)計方案如下：圖2.1圖2.2圖2.3第二章

3、系統(tǒng)設(shè)計 2.1 實(shí)驗要求2.1.1 基本要求：1.利用所給元器件設(shè)計一個階梯波發(fā)生器，要求：f>>500hz，uopp>>3v，階數(shù) n=62.設(shè)計該電路的電源電路（不要求實(shí)際搭建），用protel軟件繪制完整的電路原理圖（sch）及印制電路板圖（pcb）。 2.1.2 提高要求：利用基本要求里設(shè)計的階梯波發(fā)生器設(shè)計一個三極管輸出特性測試電路，在示波器上可以觀測到積極電流為不同值時的三極管輸出特性曲線束。2.1.3 探究環(huán)節(jié)：探索其他階梯波發(fā)生器的應(yīng)用實(shí)例，給出應(yīng)用方案。2.2 實(shí)驗原理 窄脈沖發(fā)生器經(jīng)二極管得到負(fù)脈沖波 控制階梯波返回反相積分器電源電路階梯波 電子開

4、關(guān)電路圖2.4本次實(shí)驗采用的電路原理圖如下：（下圖用protel dxp 2004搭建）圖2.5 該電路是由方波三角波發(fā)生器與遲滯電壓比較器構(gòu)成。圖6-1 中，運(yùn)算放大器u1 構(gòu)成遲滯電壓比較器，u3 是積分器，u4 為窄脈沖發(fā)生器。兩個二極管，其中d1 是階梯形成控制門，d2 是階梯返回控制門。由于u4 的同相輸入端加入一個正參考電壓，u4 輸出為負(fù)脈沖。在負(fù)脈沖持續(xù)期間，二極管d1 導(dǎo)通，積分器u3 對負(fù)脈沖積分，其輸出電壓上升。負(fù)脈沖消失后，d1 截止，積分器輸入、輸出電位保持不變，則形成一個臺階，積分器u3 的輸出的階梯波就是遲滯比較器u1 的輸入，該值每增加一個臺階，u1 的輸入電壓

5、增加一個值。在臺階級數(shù)較少的時候，u1 的同相輸入端的電位比反相輸入端的參考電壓低，使u1 輸出低電平，二極管d2 截止。隨著臺階級數(shù)的增加，當(dāng)u1 的同相輸入端電壓高于參考電壓時，u1 的輸出跳變至高電平，d2 導(dǎo)通，積分器進(jìn)入正電壓積分，使u3 輸出電位下降，直到 u3 輸出電壓降至遲滯比較器的下門限電壓時，u1 輸出才又恢復(fù)低電位d2 截止，完成一個周期。 圖2.5中，rf1=200k; rp1=10k; rp3=22k; rw3=10k、 2.3 主要芯片參數(shù)及特性本實(shí)驗采用的是ua741集成運(yùn)放，有關(guān)ua741的一些典型參數(shù)如下：圖2.6圖2.72.82.4 電路圖及各模塊的功能2.

6、4.1 脈沖發(fā)生器電路設(shè)計圖2.9t為階梯波周期，t為脈沖波周期，n 為階梯數(shù)； t1 高電平持續(xù)時間；t2低電平持續(xù)時間。um 是脈沖波電壓幅度，此電路中可由電源電壓決定。窄脈沖的寬度可以由rf1調(diào)節(jié)。由實(shí)驗要求：n=6， f500hz, uopp3v帶入以上公式，計算可得：t2ms, 故取 t=2ms;則t=0.29ms;取um=11v, 則r1=100k, c1=0.01uf; 2.4.2 積分器電路設(shè)計圖2.10對負(fù)脈沖進(jìn)行幾份的時間常數(shù)為，每積分一次獲得的電壓增量為為滿足uopp3v，且階梯數(shù)n=6。由以上公式計算可得c=0.01u, r2=100k 2.4.3 遲滯電壓比較器電路設(shè)

7、計圖2.11該電壓比較器的參考電壓加在反相輸入端，在同相輸入端加輸入信號。根據(jù)要求，在一個周期中有6個階梯，輸出電壓可以從0v到11v，則上下門限電壓可以設(shè)為uth11v，uth0v。參考電壓可以用10k電位器調(diào)節(jié)，或用固定電阻分壓。為方便電路調(diào)節(jié)，rf3可以是一50k左右固定電阻加上一個22k電位器。綜上所述，定性分析電路工作過程如下：（1）首先，由第一級運(yùn)放u1構(gòu)成的脈沖波發(fā)生器生成脈沖波，如下圖 圖 2.22然后經(jīng)二極管d1的單向?qū)ㄗ饔脼V去電壓為正的部分后，生成負(fù)脈沖如下圖所示，注意其中負(fù)脈沖的0點(diǎn)位置（圖中示波器ch1和ch2都顯示了出來，ch1為u2輸出的階梯波，ch2為負(fù)脈沖。）

8、 圖2.23（2）接著負(fù)脈沖作用在u2反向積分器上，由于u2同向輸入端接地，所以當(dāng)負(fù)脈沖為負(fù)的時候，輸出為正，接著當(dāng)負(fù)脈沖處于0的時候，如果負(fù)脈沖為0的時間小于積分器的時間常數(shù)，那么在積分電容c2上的左負(fù)右正的電壓不能突變，又由于“虛短虛斷”原理，使得u2輸出端電壓保持不變，這一點(diǎn)在圖2.23中也體現(xiàn)了出來，當(dāng)圖中負(fù)脈沖為0的時間段正好對應(yīng)階梯波保持電壓的時間段。緊接著當(dāng)下一個負(fù)電壓作用時，電路又輸出一個正，使得輸出波形又上一臺階，這樣輸出電壓越來越高。（3）接下來對應(yīng)階梯波從最高點(diǎn)瞬時跳回最低點(diǎn)的現(xiàn)象解釋如下：rw3接+12v分壓給運(yùn)放u3的反向輸入端，假設(shè)分壓為v1,當(dāng)運(yùn)放u2輸出的電壓小

9、于v1時，輸出為負(fù)，d2不導(dǎo)通，u2輸出按照（2）中所分析的變化，一旦運(yùn)放u2的輸出大于v1，運(yùn)放u3輸出為正，二極管d2導(dǎo)通，此時通過r3給左負(fù)右正的電容c2充電，使c2兩端電壓迅速降低，從而把u2輸出電壓迅速拉低。 第三章 電路的測試 3.1 基本要求 圖3.1右邊為基本要求電路，左邊為擴(kuò)展電路用來測試晶體三極管的的輸出特性曲線 3.1.1 脈沖波測試圖3.2實(shí)驗數(shù)據(jù)：uopp=20.4v 3.1.2 階梯波測試實(shí)圖2實(shí)驗數(shù)據(jù)：vopp=6.6v, f=536.24hz, n=6。經(jīng)檢驗，達(dá)到基本要求。3.1.3 調(diào)試方法各個電位器的作用：rp1(10k)：通過控制外加電源，改變輸出功率，

10、同時影響輸出電流，調(diào)節(jié)窄脈沖發(fā)生器所產(chǎn)生脈沖的占空比，調(diào)節(jié)階梯波頻率。rf1(220k)：通過對外加電源的分壓，改變相同輸入端參考電壓，繼而改變電容的充放電周期，最終改變脈沖周期。所以該電位器用來調(diào)節(jié)矩形波的占空比、階梯波的階梯數(shù)和頻率,而在調(diào)節(jié)的同時,不會改變階梯波的幅度。rw3(10k)：通過對反響輸入端電壓的分壓作用，改變參考電壓，從而與積分電路輸出到同相輸入端的電壓相比較，控制階梯波返回，即決定階梯波的幅值。該電位器用來調(diào)節(jié)階梯波的直流量即幅度的大小。rp3(22k)：其作用與rw3類似，該電位器用來調(diào)節(jié)階梯波的幅度大小。 由上述分析可得，在給定的情況下，可以先調(diào)節(jié)rp3，對調(diào)節(jié)階梯波

11、的幅度進(jìn)行改變，在幅度達(dá)到要求的情況下，再繼續(xù)調(diào)節(jié)rf1和rw3，使得頻率和階梯數(shù)達(dá)到要求。但在實(shí)際的調(diào)試過程中，四個電位器要配合使用，才可以達(dá)到最佳的效果。經(jīng)過單獨(dú)測量各個電位器的兩部分阻值比，參數(shù)如下：rf1=10k；rp1=8k；rp3=10k；rw310k3.2 提高要求三極管輸出特性曲線測試框架圖：圖12通過對三級管特性的研究，階梯波的輸出波形通過一個 10k電阻接入到三極管的基極，集電極接電壓變換電路，發(fā)射極直接接地。而示波器的x、y是分別接在輸入兩端上。需要注意的是三極管需要有直流偏置才能正常工作，所以在集電極加入了直流偏置，使三極管正常工作。圖表3.3實(shí)際電路輸出如下 圖3.4

12、3.3 遇到的問題本次實(shí)驗中，遇到的最大問題就是電路板極不穩(wěn)定，上節(jié)課搭的電路板，在甲實(shí)驗室還挺好的，能出各種波形，但是下節(jié)課到乙實(shí)驗室卻只剩一堆噪聲，拿著萬用表分別側(cè)各元件，每個元件均沒問題，但就是不出波形。檢查面包板的連接，也沒發(fā)現(xiàn)有斷線或短接。無奈之后，只得再把電路拆了，再搭一遍，還是那些元件，但新搭的電路卻有正常了。 其次，基本要求的電路板在第一次搭板時就搭出來了，但接下來把輸出階梯波接到擴(kuò)展電路上時卻由于事先沒有設(shè)計好，把板子給燒了。第四章 總結(jié) 附錄1 用到的元器件種類規(guī)格數(shù)量電阻100k256k150k110k11k3電位器220k122k110k2集成運(yùn)算放大器ua7413二極管2cp102電容0.01u3圖表22